最早的助飞弹射器

最早的助飞弹射器在飞机被发明的时候就已经出现,和莱特兄弟同期的兰利,首先利用弹簧和滑道进行助飞,而莱特兄弟也在同样概念下,造出了落重弹射器。借助这种弹射器。莱特飞行器成功进行了动力飞行。


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早期的舰上弹射器

在飞机发明后的不久就出现了水上飞机,各国海军在使用水上飞机时候,为了让舰只在不用停下来的情况下,舰艇能让飞机在短时间内升空。各国开始开发助飞装置,这种装置最早是装备在大型水面舰只上的水上飞机弹射器.结构上有落重式,飞轮式,火箭助推式,液压式和气压式多种。


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早期战列舰,重巡洋舰上大部分是飞轮式的弹射器。这种弹射器由飞轮储存机械能量,通过离合器拉动钢缆进行弹射。火箭助推弹射器多用于小型的舰船,二战中,英国为了对付德国潜艇,使商船队拥有一定空中力量,曾为商船装备了能让飓风式战机起飞的弹射器,这种简单的弹射器是火箭助推式的。这类弹射器性能上来讲,弹射周期都相当的长。


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早期的航母弹射器

航母最早使用弹射器的是1922年从运煤船改装而成的“兰利”号


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虽然最高航速只有15海里,这艘航母却是美国海军航空兵非常成功的试验平台,航母技术里最关键设备如弹射器,拦机网和升降机技术都在“兰利”上得到了试验。从这艘航母得到的经验和数据,对后来航母设计和运作有极大的影响。

30年代,大部分飞机还能凭本身的动力全负荷在航母甲板上起飞,装备弹射器的本来是为了让航母在更短时间内让更多飞机升空。英国当时的“凯旋”和“勇气”号航母就装备了压缩空气气压弹射器。这个时期的气压液压弹射器多采用活塞顶杆结构,有滑轮钢缆系统,最大功率达到5兆焦耳。


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这个时期下水的美国航母“萨拉托加”和“列克星顿”号上,使用了当时技术上较可靠的飞轮式弹射器。当时的弹射器,已经可以用比较短的弹射周期进行弹射。可是,弹射器的使用在运作上却增加了升空甲板人员运作的复杂性,令本来已经复杂的升空运作变得更难执行,反而导致升空延误。这个难题曾困扰航母多年,并导致弹射器被列为受淘汰设备。

二次大战爆发后,由于护航的需要,开发了护航航母,由于这类航母的甲板距离短,飞机必需依靠弹射才能起飞,弹射器成为必不可少的设备。最初装备在护航航母上的是飞轮弹射器。后来开发的大功率的液压弹射器在1943年正式投入使用,“企业”号首批改装使用这种型号为H2-1的液压弹射器的航母之一。在这之后护航航母大部分装备了这种液压弹射器。性能上H2-1弹射器可以将11000磅的负荷在73英尺内加速到70英里/小时的速度。基本满足当时的作战需要。


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蒸汽弹射器的开发

经过二次大战的实战考验,航母的运作技术发展的更加成熟。二战到了末期,喷气机开始出现,喷气机起飞距离的增大和飞机重量的增加,导致对弹射器的功率要求更大,可是,液压弹射器已经达到技术极限,当时已经证明这种技术的最大输出功率只能达到20兆焦耳。推进活塞速度达到90英里/小时之后的工作效率急剧下降。而且,弹射器的液压油在高速流动推进时有沸燃现象,在安全性和工作可靠性上存在极大问题,而且顶杆钢缆系统重量很大。当时弹射器的问题成为延误航母使用喷气机的主要原因,此时,英美意识到高能弹射器技术的重要性,就着手开发新技术

在技术方面,为提高弹射器的效率,30年代已有人提出了“直接驱动”(DirectDrive)的结构概念,着重于降低驱动装置的动态总重。从而改善弹射器的加速效率。开缝式汽缸设计就是在这种概念下产生的。作为动态结构的活塞和牵引器用最短的距离直接连接,以减低推进活塞和牵引器这两个动态结构的重量。


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机械上,这种结构的难度是既要让驱动活塞/前引器结构在汽缸缝里自由移动,又要保持必要的工作压力。最大的技术问题是如何防止泄漏导致压力下降。不少设计者曾为此提出过多种不同的解决办法,最早的方案是在汽缸缝上设置弹性结构,既能让活塞结构通过,又可以在活塞通过后不让外漏。这种设计在40年代末曾用在XH-8液压弹射器上,性能上,XH-8弹射器可以将15000磅的负荷加速达到120英里/小时的速度。可是,试验中也发现,弹性密封装置在高压状态下密封效果很不理想。

经过一系列的研究和试验后,发现最简单的方案,是在汽缸内放置密封条,然后通过前进的活塞,将汽缸里的金属密封条直接顶入汽缸缝,并利用缸内的压力将密封条压紧,从而压力的不泄漏。


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在开缝气缸开发的同时,英国的后备役人员科林。米切尔向海军建议尝试使用舰上主锅炉产生的蒸汽直接驱动弹射器的可能性。英国海军就此开展了初步试验,试验中证实了蒸汽弹射器的功率远高于液压弹射器,而且发现弹射造成的蒸汽消耗对整体推进功率影响不大。而且可靠性和安全性更高较液压弹射器更高。

1950年,英国海军开始在“英仙座”航母上正式对蒸汽弹射器进行一系列的试验。试验中,研究人员成功地解决了影响开缝式气缸工作的两个最大问题,第一是气缸缝受缸内压力扩张的问题,第二是弹射气缸本身受热后变形的问题。1952年对蒸汽弹射器的试验证明成功,这种被称为米切尔式弹射器的装置正式开始装备而且被沿用至今。

通过技术合作,美国直接参与了“英仙座”航母的弹射器试验而获得的这项技术,此后将研制成功的型号为C-11的蒸汽弹射器装备在“汉考克”号航母上,并在1954年6月1日成功完成弹射操作。航母也从此进入全面喷气时代。

值得一提的是,在40年代开发蒸汽弹射器的同时,美国曾进行了超大型的飞轮储能弹射器和电动弹射器的开发和试验。理论上飞轮储能弹射器可以达到很高的功率,但是因高速离合器的技术难题得不到解决而很快被放弃。值得注意的是,当时在电动弹射器上研究上,西屋电气公司成功研制了称为“电弹器”(Electropult)的弹射器,结构上跟目前热门的电磁弹射器结构几乎一样,采用直线电机设计,而且在弹射功率与蒸汽弹射器相似的输出。只是因为运作昂贵而被放弃。不过,飞轮和直线电机技术在最近这20年被重新开发,现在热门的电磁弹射器上运用的就是飞轮储能器和直线电机技术。


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蒸汽弹射器在美国航母的装备情况

美国在C-11蒸汽弹射器后,相继开发了型号为C-7,C-11-1,C-13,C-13-1,C13-2的多种蒸汽弹射器。

参数\型号

C-7

C-11/

C-11-1

C-13

C-13-1

C-13-2

冲程(英尺)

253

211

249-10”

309-8¾”

306-9”

轨道长度(英尺)

276

225

264-10”

324-10”

324-10”

活塞与牵引器重量(磅)

5200

5200

6350

6350

6350

气缸直径(英寸)

18

18

18

18

21

冲程总容积(立方尺)

944

786

910

1148

1527

目前美国的大型航母一般装置多达4台弹射器。在各种型号的弹射器当中,只有C-13-1和C-13-2型号的弹射器有足够的功率能让飞机在不迎风的情况下起飞。

航母

弹射器型号

CV41中途岛

2xC-13

CV43珊瑚海

3xC-11-1

CV60萨拉托加

2xC-112xC-7

CV61漫游者

4xC-7

CV62独立

4xC-13

CV63小鹰

4xC-13

CV64星座

4xC-13

CVN65企业

4xC-13-1

CV66美国

3xC-131xC-13-1

CV67肯尼迪

3xC-131xC-13-1

CVN68尼米兹

4xC-13-1

CVN69艾森豪威尔

4xC-13-1

CVN70卡尔-文森

4xC-13-1

CVN71罗斯福

4xC-13-1

CVN72林肯

4xC-13-2

CVN73华盛顿

4xC-13-2

CVN74斯坦尼斯

4xC-13-2

CVN75杜鲁门

4xC-13-2

CVN76里根

4xC-13-2